Mjerač jačine polja

U savremenoj elektronici i telekomunikacijama mjerač jačine polja predstavlja elektronski mjerni uređaj koji mjeri jačinu električnog polja prouzrokovanog od strane nekog radio predajnika.

Veza između električnog polja, radio predajnika i predajne snage

U idealnim uslovima jačina električnog polja proizvedenog radio predajnikom sa izotropnim radijatorom (predajnikom),koji sa teoretske tačke gledišta predstavlja izvor elektromagnetnih talasa i koji zrači istim intenzitetom zračenja u svim pravcima,data je relacijom :

${\mbox{E}}={\frac {\sqrt {30\cdot P}}{d}}$

gdje:

• E predstavlja jačinu električnog polja izraženu u voltima po metru.
• P predstavlja izlaznu snagu transmitera (radio predajnika) izraženu u vatima.
• d predstavlja distancu od izvora zračenja-

Jasno se može vidjeti da je jačina električnog polja obrnuto proporcionalna udaljenosti izmedju predajnika i prijemnika. Bilo kako bilo ova relacija ipak ne nalazi širu primjenu pri računanju snage polja koju proizvode "zemaljski" predajnici gdje refleksije i smetnje uzrokovane okolnim objektima,kreiraju fizičku barijeru i direktno utiču na promjenu intenziteta polja.

Jačina polja se jos moze koristiti kao termin u telekomunikacijama i predstavlja jačinu polja uzrokovanu polutalasnim dipolima pod idealnim uslovima.Stvarna jačina polja se dobija emprijiskim formulama na osnovu sledeċih relacija :

Neka je N efektivna snaga na izlazu iz izotropne antene,a P gustina snage na udaljenosti d od ovog izvora. Pri tome E predstavlja jačinu električnog polja,a R otpornost sredine kroz koju se vrsi distribucija.

${\mbox{p}}={\frac {N}{4\cdot \pi \cdot d^{2}}}$

i koristimo konačnu relaciju:

${\frac {N}{4\cdot \pi \cdot d^{2}}}={\frac {E^{2}}{R}}$

Impedansa praznog prostora je $120\cdot \pi$. Pojačanje polutalasnog dipola je (${\mbox{2.15 dBi}}=1.64$ ) i mora se uzeti u matematičko razmatranje:

${\mbox{E}}={\frac {{\sqrt {1.64\cdot N}}\cdot {\sqrt {120\cdot \pi }}}{2\cdot {\sqrt {\pi }}\cdot d}}\approx 7\cdot {\frac {\sqrt {N}}{d}}$

U relacijama se koriste jedinice SI sistema,sa praktičnim izmjenama :

kW umjesto W za snagu,

km umjesto m udaljenost i

mV/m umjesto V/m jačinu električnog polja.

Ekvivalentno tome možemo izvesti aproksimiranu relaciju :

${\mbox{E}}\approx 222\cdot {\frac {\sqrt {N}}{d}}$

Antena

Kada radimo na mjerenju jačine polja,veoma je važno da koristimo podesene (kalibrisane) antene kao sto su standardne antene isporučene zajedno sa brojilom.Za izvođenje preciznih mjerenja, antena mora biti na standardnoj visini. Vrijednost te standardne visine jeste 10 metara (dozvoljene su varijacije od 10 procenata).

Kriterijumi minimalne mjerljive snage

Kontrolna ploča FM radio-predajnika.

CCIR je definisao minimalne snagu polja za zadovoljavajuċi prijem. Vrijednosti su prikazane u tabeli, klasifikovane po redovima (drugi red tabele je rezervisan za FM radio difuziju, a ostali za TV broadcasting):

Frekvencije	Minimalna snaga izražena u dB	Bilješke
red I	48
red III	55
red IV	65
red V	70
red II	48	Ruralna područja
red II	60	Urbana naselja
red II	70	Veliki gradovi

Radio predajnik

Radio predajnik je elektronski uređaj koji stvara električne oscilacije visoke frekvencije, pojačava ih i moduliše korisnim signalom informacije, i preko predajne antene zrači ih u slobodni prostor. Mali dio te izračene energije se prima u radio-prijemniku, koji je pretvara u koristan signal informacije.

Opis

Kod radiofonije kao i kod telefonije, potrebno je prije svega, da je na početku cijelog sistema prijenosa govora ili muzike mikrofon koji će zvučne talase pretvoriti u njihove električne signale. Kada se ispred mikrofona govori, pjeva ili svira, njegova će membrana, pod utjecajem zvučnih talasa da treperi promjenjivom frekvencijom i jačinom, izazivajući time odgovarajuće promjene električne struje u kolu u koje je uključen mikrofon. Ove promjene predstavljaju signale prenošenog govora ili muzike. Njihova je frekvencija relativno mala (816 - 20000 Hz), pa se zato ova struja naziva strujom niske (zvučne) frekvencije.

Niskofrekventni signali, stvoreni pomoću mikrofona, moraju se poslije toga pojačati u pojačivaču. Osim mikrofona i niskofrekventnog pojačivača, u sastavu radiopredajnika nalazi se i oscilator koji proizvodi elektromagnetske oscilacije visoke frekvencije. Ove oscilacije visoke frekvencije najprije se pojačavaju, pa se, zatim, u njih "utiskuju" pojačani niskofrekventni signali, tj. vrši se promjena njihove amplitude ili frekvencije u ritmu zvučnih oscilacija. Uređaj u kome se ovo vrši naziva se modulator, a ovako izmjenjene visokofrekventne oscilacije nazivaju se modulisane visokofrekventne oscilacije.

Modulisane visokofrekventne oscilacije moraju se također pojačati, i to ukoliko više ukoliko ne želi dalji domet, pa se tako pojačane šalju u antenu predajnika.

Podjela

Po pokretljivosti se dijele na prenosne, prevozne i stacionarne, po frekventnom opsegu na nisko, srednjo, visoko, vrlo visoko i ultravisoko-frekventne, po vrsti rada na radio-telegrafske, radio-telefonske, radio-teleprinterske, radarske, televizijske, po predajnoj snazi na male snage (do 100W), srednje (do 1000 W) i velike snage (preko 1000 W), prema dometu na radio-predajnike malog dometa (do 10 km), srednjeg dometa (do 100 km) i velikog dometa (preko 100 km), a po vrsti modulacije na radio-predajnike sa amplitudnom, frekventnom, impulsnom i faznom modulacijom.

Dijelovi

Svaki radio-predajnik se sastoji od više dijelova. Osnovni su: stepen za generisanje oscilacija radne frekvencije, stepen za pojačavanje visokofrekventne (VF) snage, antenski stepen, i modulacioni stepen (modulator). Stepen za generisanje oscilacija radne frekvencije se bazira na elektronskom oscilatoru, koji može biti raznih konstrukcija. Najčešći su kristalni oscilatori (koriste kristal kvarca) i oscilatori sa oscilatornim kolima.

Stepeni za pojačanje VF snage obično rade u klasi B ili C, pošto stepen izobličenja nije jako važan a izlazna snaga jest. U klasi C se jedna izlazna poluperioda signala potpuno odsijeca. Da bi se povratio talasni oblik, u izlaznom kolu takvog stepena se nalazi oscilatorno kolo, koje osciluje na potrebnoj frekvenciji primajuću energiju od pojačavača klase C svake druge poluperiode.

Antenski stepen ima zadaću da primi pojačani i već modulisani signal VF, da prilagodi impedansu izlaznog stepena predajnika anteni, i da preko antene zrači signal informacije u okolni prostor. Modulatorski stepen služi za utiskivanje korisnog signala informacije na noseću visoku frekvenciju predajnika. Sam način rada ovisi od konstrukcije i tipa modulacije. Pri jednostavnoj amplitudnoj modulaciji, moguće je recimo mijenjati amplitudu (veličinu) izlaznog VF signala promjenom napona na kolektoru/anodi izlaznog stepena predajnika.

Takva modulacija se onda zove kolektorska ili anodna modulacija, ovisno o izlaznom elementu (tranzistor ili elektronska cijev).

Električno polje i neki od načina mjerenja jačine električnog polja

Karakteristika usmjerenosti antene

Shema

lm358

Merenje jačine polja

Jačina polja

Jačina polja je parametar koji govori o intezitetu elektromagnetnog polja u nekoj tački u prostoru, koje nastaje emitovanjem iz emisione antene ili emisionog sistema. Jačina polja se obeležava sa naponom po dužini: (V/m, dBµV/m, dBmV/m). Ukoliko merimo jačinu polja koje emituje transmisiona antena pri čemu se krećemo oko nje i beležimo izmerene vrednosti na polarnom grafikonu (jačina polja koje emituje antena zavisi od ugla koji zaklapaju antena i prijemnik), dobićemo karakteristiku usmerenosti (radiation pattern - dijagram zračenja) antene. Na slici 1. prikazan je primer dijagrama zračenja referentne antene AMC/1-PROMAX.

Načini merenja

Za merenje jačine polja potrebna je odgovarajuća antena za merenje polja, kao što je PROMAX AMC/1, merač polja ili spektar analizator i korekcioni faktori antene koja se koristi. Odnos jačine polja (koje želimo da izmerimo) i napona na izlazu iz antene koju koristimo za merenje se naziva faktor antene. Ovaj faktor se obično obeležava sa K, i predstavlja parametar svake antene. Da bi se izmerio nivo polja potrebno je samo da se antena priključi na merač polja ili spektar analizator, očita dobijena vrednost i uračuna korekcioni faktor K kao i pojačanje ili atenuacija koju instrument vrši pri merenju nivoa.

AMC/1 je polutalasni dipol sa mogućnošću promene štapova i sastoji se od sledećih komponenti:

1. Držač antene (Noseći stub);
2. Koaksijalni kabl sa BNC konektorom;
3. Uložak (za postavljanje štapova);
4. Dva kratka štapa;
5. Dva štapa srednje dužine;
6. Dva dugačka štapa;

Antena je dizajnirana tako da pokriva frekventni opseg zemaljske televizije i FM opseg (kombinacijom štapova se pokriva određeni frekventni opseg).Nakon što se antena priključi na merač polja ili analizator spektra, instrument se podesi na opseg koji se meri, pa se očita vrednost nivoa signala (ME dBµV). Jačina polja FS je u dBµV/m i ona je:

FS=ME+K

gde je:

K=20 log f + CL + BL - 33,6

CL - gubici u kablu u dB

BL - gubici u anteni u dB

f - frekvencija u MHz

Mjerač polja (LM358 Field strength meter)

Funkcija uređaja jednostavnog RF mjerača polja

Ovakvi se uređaji u praksi najčešċe koriste za podešavanje najboljih performansi odašiljača. U donjem lijevom uglu vidi se djelitelj napona. Ovaj djelitelj ce proizvesti virtualnu masu 4.5 VDC. Iznad se nalazi antena. Antena će pokupiti okolnu zračenu energiju,a dioda će ispraviti RF signal i dovesti vrednost DC napona na VRF. Taj napon je još uvijek veoma nizak i treba biti pojačan. Signal zatim ulazi u OP LM358koji pojačava napon na primjerenu vrijednost podesenu potenciometrima.

Drugi OP LM358 djeluje kao napon sljedbenika (voltage follower). Instrument sa skretnim kalemom koji sluzi za indikaciju spojen je na pojacavace preko 5m zice. Za spriječavanje uticaja parazitnih induktiviteta u žicama,koje bi doveli do smetnji i modulacije signala,poželjno je dodati dva feritna bloka,koji igraju ulogu visoke impedanse. Kao alternativa, može se koristiti i kalem velike induktivnost (do 0.01mH).

Praktični dio

Blok dijagram sa strane prikazuje relativno lak način mjerenja jačine polja. Na početku,tj na lijevoj strani imamo antenu koja je podešena da prima određeni spektar frekvencija. Dužina antene nije krucijalna. Dužina = 0.95*300/(4*freq) <= (freq = Mhz).

Dioda "otklanja" RF signal, a DC komponenta se pojačava u pojačavaču. Iskorišten pojačavački sklop je LM358 Pomoċu BIAS VOLTAGE-a uspostavljamo referentnu vrednost napona na galvanometru pomoċu kojeg mjerimo traženi napon. Uz pomoċ žice od nekih 5-10 metara možemo bez velikog poremeċaja trenutnog stanja čitati vrednost i van domašaja sistema. Kada ste podesili nulta (referentna) očitavanja instrumenta,sve što trebate uraditi jeste očitati maksimalnu pojačanu vrednost koju galvanometar za podešene uslove mjeri. Tada je snaga RF polja najjača. Poželjno je proveriti kvalitet ovog signala jer često moze doci do pregrijavanja transistora ili pojave visokih struja,što svakako izaziva gubitke i negativne efekte. Konkretno podešen ovim parametrima kola,ovakav mjerač polja može mjeriti snage od 30mW do nekoliko vati.

LM358

Praktični razlozi su veċinski motiv i za daljnje korišċenje ovog tipa pojačavača koji je kvalitetnim radom i pri jednostrukom i dvostrukom napajanju davao izvanredne rezultate. Uređaj se u osnovi sastoji od dva nezavisna,frekvecijski kompenzovana operaciona pojačavača sa visokim pojačavačkim stepenom,prvobitno dimenzionisana da rade sa jednostrukim napajanjem,ali su moguċe izvedbe sa dvostrukim s tim sto se teži da bude zadovoljen uslov razlike između njih od 3-32 V.

Ulazne struje su nezavisne o naponu napajanja. Današnje aplikacije u sebi imaju pojačavačke stepene,DC pojačavačke blokove i sva konvencionalno usvojena pojačavačka kola koja mogu biti sa lakoċom implementirana u sisteme sa jednostrukim naponom napajanja.

Reference i literatura

Mjerač jačine polja na Wikimedijinoj ostavi

• http://altered-states.net/index2.php?/trifield/rf_fieldstrengh.htm
• http://hem.passagen.se/communication/field.html Arhivirano 2012-12-28 na Wayback Machine-u
• http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_field
• http://shaddack.twibright.com/projects/hw_FieldMeter/ Arhivirano 2013-05-08 na Wayback Machine-u